真實路面激勵下拖車車架瞬態(tài)動力學分析

石凱飛

（200092 上海市 中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所）

0 引言

隨著時代的發(fā)展，車輛設計過程中更多地引入了輕量化設計[1-2]，輕量化設計仍需保證車輛行駛的安全性。汽車在運動過程中產生的振動是造成零部件失效的主要原因[3-4]，汽車振動主要引起零件的疲勞失效[5]。車架是車輛組成中的重要部件，車架不僅在靜止狀態(tài)下，更要在運動情形下保證安全性要求。目前大多數研究集中于軟件的靜力學模擬。一方面缺乏對結構的動力學評估，另一方面缺乏實際路面數據的收集和驗證。本文通過實際道路測試采集道路譜，結合軟件模擬最終優(yōu)選出同時滿足可靠性和輕量化要求的設計方案，為類似領域的設計提供新的思路。

1 車架動力學分析

通過ADAMS 和ANSYS Workbench 軟件完成分析，在ADAMS 中得到加載力文件，并最終在Workbench 中完成分析工作[6]。

ADAMS 是一款運動學和動力學應用軟件，在其應用領域具有優(yōu)勢壟斷地位[7]，其客戶分布在飛機設計、汽車工業(yè)、通用機械等領域。隨著計算機學科對工業(yè)界的不斷推動，傳統(tǒng)行業(yè)中運用的計算機軟件種類越來越多，其最新代表產品之一就是ANSYS Workbench 軟件[8]。ANSYS Workbench 工作流程如圖1 所示。

圖1 ANSYS Workbench 工作流程圖Fig.1 ANSYS Workbench workflow diagram

1.1 車架受力仿真分析

1.1.1 車架實體模型的建立

通過ADAMS 將約束副添加到三維模型中，根據實際產品屬性在軟件中設置質量參數[9-10]。如圖2 所示。

圖2 ADAMS 車架模型Fig.2 ADAMS Frame Model

1.1.2 車架約束與驅動分析

在整車約束中，共用到轉動副、移動副、球絞副和固定副4 種運動副。整車各部件約束施加如表1 所示[11-14]。

表1 整車各部件約束施加Tab.1 Restraint application of all parts of the whole vehicle

1.1.3 提取不同工況載荷譜

通過現(xiàn)場路面測試得到不同路況對車架的激勵。根據項目中車型裝配的懸架系統(tǒng)的產品參數，確定了剛度阻尼系數。由于該車架是兩輪受載，因此在不同的車輪上施加不同的驅動，將時域激勵信號導入ADAMS/V 中，生成樣條函數。

在ADAMS 中，把激勵文件加載到車輪位置的彈簧上，進行10 s 動態(tài)仿真分析，得到力隨時間變化的載荷譜如圖3 所示，將載荷譜以記事本文件格式提取出來用于Workbench 中，進行瞬態(tài)分析。

圖3 3 種路況下的載荷譜圖像Fig.3 Load spectrum images of three road conditions

1.2 Workbench 瞬態(tài)動力學分析

本文根據拖車的實際行駛情況，結合車架受到載荷和約束的差異，對其在鵝卵石路、搓板路和石塊路3 種典型行駛路面工況下施加不同的邊界條件和載荷，分別進行分析。首先以C 型車架為例。

1.2.1 鵝卵石路面工況

（1）ADAMS 仿真條件及結果

通過振動測試得到鵝卵石路的車體輪胎軸心處的振動加速度，并積分出振動位移，即得到鵝卵石路的道路譜，將此道路譜作為ADAMS 仿真的激勵條件輸入到路面激勵中，作為仿真模型的激勵，進行動力學仿真，得到左側和右側懸架對車體的作用力，并輸出該作用力如圖4 所示。

圖4 鵝卵石路況下左側和右側懸架對車體的作用力Fig.4 Force of left and right suspension on car body under cobblestone condition

（2）ANSYS 應力分析結果

根據拖掛式拖車在彎曲工況下的行駛情況，約束牽引處所有的平動自由度，約束左邊懸架除豎直方向的平動自由度，約束右邊懸架處豎直方向的平動自由度。處理后的模型如圖5 所示，求解得到變形情況如圖6，應力情況如圖7 所示。

圖5 鵝卵石路況下車架有限元模型Fig.5 Finite element model of vehicle frame under cobblestone condition

圖6 鵝卵石路況下C 型車架位移云圖Fig.6 C-frame displacement cloud image under cobblestone condition

圖7 鵝卵石路況下C 型車架應力云圖Fig.7 Stress Nephogram of C-frame under cobblestone condition

由圖6 可知，車架尾部橫梁變形值約為 8.5 mm。車架除車架尾部變形較大外，大部分結構的變形均在5 mm 以下。由圖7、圖8 得，車架最大應力出現(xiàn)在牽引架與側梁的相交處，最大應力值為 230 MPa，但這也主要是由于側梁存在尖端，存在應力集中導致邊角處應力高達230 MPa，實際生產中適當對橫梁邊角處倒圓角會減少應力集中現(xiàn)象。如7 圖所示，車架主縱梁中間部分應力較大，應力值約為80 MPa，中間橫梁部位應力也較大，約為60 MPa 。另外車架兩根主縱梁與各橫梁接觸的部分應力值在20～100 MPa 之間，其余部分應力值均在 30 MPa 以下?？紤]車架材料屈服應力達到235 MPa，車架結構符合強度要求。

圖8 車架各部分應力分布情況Fig.8 Stress distribution of each part of the frame

1.2.2 搓板路路面工況

（1）ADAMS 仿真條件及結果

通過振動測試得到搓板路的車體輪胎軸心處的振動加速度，通過對加速度進行二次積分得到車體輪胎軸心處的振動位移，即得到搓板路的道路譜，將此道路譜作為ADAMS 仿真的激勵條件輸入到路面激勵中，作為仿真模型的激勵，進行動力學仿真，得到左側和右側懸架對車體的作用力，并輸出該作用力如圖9 所示。

圖9 搓板路路況下左側和右側懸架對車體的作用力Fig.9 Force exerted by left and right suspensions on vehicle body under washboard road conditions

（2）ANSYS 應力分析結果

約束條件同鵝卵石路況，得到有限元模型如圖10 所示。求解得到變形情況如圖11，應力情況如圖12 所示。觀察搓板路路況下C 型車架的整體變形云圖11 可得，車架尾部橫梁最大變形值約為29.95 mm，除車架尾部變形較大外，大部分結構的變形均在16.6 mm 以下。整體應力分布如圖12所示，各部分應力分布如圖13 所示。

圖10 搓板路路況下C 型車架有限元模型Fig.10 Finite element model of C-frame under washboard road condition

圖11 搓板路路況下C 型車架位移云圖Fig.11 Displacement cloud diagram of C-frame under washboard road condition

圖12 搓板路路況下C 型車架應力云圖Fig.12 C-frame stress nephogram under washboard road condition

圖13 車架各部分應力分布情況Fig.13 Stress distribution of each part of the frame

圖12 和圖13 顯示了最大應力出現(xiàn)在牽引架與側梁的相交處，最大應力值為 232 MPa，這主要是由于側梁存在尖端，存在應力集中導致邊角處應力高達232 MPa，實際生產中適當對橫梁邊角處倒圓角會減少應力集中的現(xiàn)象。如圖所示，車架位于主縱梁中間部分應力較大，應力值約為 100 MPa，中間橫梁部位應力也較大，約為50 MPa，另外車架2 根主縱梁與各橫梁接觸的部分應力值在 20～160 MPa 之間，其余部分應力值均在 50 MPa 以下。如前所述考慮材料許用應力，車架結構強度要求合格，安全系數達到1.47。

1.2.3 石塊路路面工況

（1）ADAMS 仿真條件及結果

通過振動測試得到石塊路的車體輪胎軸心處的振動加速度，通過對加速度進行二次積分得到車體輪胎軸心處的振動位移，即得到石塊路的道路譜，將此道路譜作為ADAMS 仿真的激勵條件輸入到路面激勵中，作為仿真模型的激勵，進行動力學仿真，得到左側和右側懸架對車體的作用力，并輸出該作用力如圖14 所示。

圖14 石塊路路況下左側和右側懸架對車體的作用力Fig.14 Force of left and right suspension on car body under stone road condition

（2）ANSYS 應力分析結果

約束條件同鵝卵石路況，處理后的模型如圖15 所示。求解得到變形情況如圖16，應力情況如圖17 所示。觀察石塊路路況下組合型車架的整體變形云圖16 可知，車架尾部橫梁最大變形值約為25.338 mm，其余大部分結構的變形均在13.9 mm 以下。整體應力和各部分應力分布如圖17和圖18所示。

圖15 石塊路路況下C 形車架有限元模型Fig.15 Finite element model of C-frame under stone road condition

圖16 石塊路路況下C 形車架位移云圖Fig.16 C-frame displacement cloud diagram under stone road condition

圖17 石塊路路況下C 形車架應力云圖Fig.17 C-frame stress nephogram under stone road condition

圖18 車架各部分應力分布情況Fig.18 Stress distribution of each part of the frame

由圖17 和圖18 可得，牽引架與側梁的相交處最大應力值為 232 MPa，主要是由于側梁存在尖端，存在應力集中導致邊角處應力高達232 MPa，實際生產中適當對橫梁邊角處倒圓角會減少應力集中的現(xiàn)象。如圖17 所示，車架位于主縱梁中間部分應力較大，應力值約為 100 MPa，中間橫梁部位應力也較大，約為100 MPa，另外車架2 根主縱梁與各橫梁接觸的部分應力值在 20～160 MPa 之間，其余部分應力值均在40 MPa 以下。如上文所述，考慮材料許用應力，車架結構強度滿足要求，安全系數達到1.47。

2 3 種車架的受力比較

同理可得矩形車架和組合型車架在不同路況下的強度表現(xiàn)。對比分析3 種車架形式下3 種工況的車架應力變形，結果如表2—表4 所示。

表2 C 型車架應力應變計算結果Tab.2 C-frame stress and strain calculation results

3 結論

（1）將C 形、矩形、組合型的車架進行動力學仿真，模擬拖車在受到路面垂直激勵的運動過程，得出車架所受動載荷譜，并對車架進行分析計算，得到了各種工況下的應力變形。

（2）相同路面工況下，C 型應力及變形最大，矩形應力及變形最小，且應力最大主要出現(xiàn)在主縱梁及各橫梁連接處以及牽引橫梁的牽引處，針對這幾個薄弱的部位應該進行結構優(yōu)化設計，提高強度，防止破壞。

（3）相同型號的車架下，車架在搓板路況、石塊路況以及鵝卵石路況下的最大應力應變依次減小，而車架各部位所受應力水平也在不同程度減小。

（4）根據實際測試和軟件仿真結果，最終采用組合型車架為滿足可靠性和輕量化設計要求的最優(yōu)設計方案。